膜分离技术已广泛应用于能源、环境保护、石油化工、食品等领域,而以具有高强度、耐高温、化学稳定性好、寿命长、易再生和分离效率高等优点的多孔陶瓷滤膜最为显著,其作为高效率错流过滤器的核心部件,在高温、耐蚀等苛刻环境下具有广阔的应用前景。进行陶瓷膜结构设计与优化是决定其应用的前提,关键是如何在高渗透通量和分离精度间获得良好的平衡。目前采用非对称的膜结构设计是一种有效的解决方法,非对称膜由支撑体、过渡层和微孔膜构成,高气孔率、大孔径的支撑体具有低的流体介质阻力,可满足高渗透性,并给予膜层高的机械支撑性;细颗粒构成的表面膜层孔径小、厚度小,具有较好的分离精度;支撑体和膜层的颗粒尺寸差异大,需采用过渡层结构加以调控。本文研究了多孔碳化硅陶瓷支撑体和膜层的制备方法、微观结构、几何尺寸、渗透性能、机械强度等,为多孔碳化硅陶瓷滤膜的开发应用提供理论指导和实验支持。首先研究了模压成型、低温烧结制备圆饼状多孔碳化硅陶瓷支撑体的方法,并以之为基础制备多通道的多孔碳化硅陶瓷支撑体。选用34μm的碳化硅颗粒,添加12%的低温烧结助剂和1.5%糊精溶液混合后,采用模压成型方法,调节成型压力和烧结温度等制备多孔碳化硅陶瓷。在850℃、870℃、900℃和950℃烧结制备多孔碳化硅陶瓷时,随着烧结温度的升高,气体渗透率由322.66 m3/m2·h·kPa增加到361.82 m3/m2·h·kPa,之后又降低至308.24 m3/m2·h·kPa,开口气孔率对气体渗透率的影响更显著。终端过滤结果表明随多孔碳化硅陶瓷滤片厚度由2.3 mm增加到7.5 mm过程中水的渗透通量呈线性下降;在厚度一定时,随着开气孔率的增加,水的渗透通量迅速提高;在50 MPa成型、870℃烧结时,制备出开气孔率38.4%,抗压强度83.2 MPa,气体渗透率为361.82m3/m2·h·kPa的多孔碳化硅陶瓷支撑体。其次,采用机械搅拌与水浴加热相结合的方式,加入分散剂、消泡剂等,配制稳定悬浮的碳化硅陶瓷浆料。羧甲基纤维素钠(CMC)溶液的粘度和CMC浓度呈指数形式增加,溶液静置至60 h过程中,粘度升高,随后不断降低;加入不同粒径碳化硅后,流体的粘度与固含量呈指数关系;固含量相同时,CMC含量越高,浆料悬浮稳定性越好;CMC相同时,随着固含量的增加,其悬浮稳定性提高。沉降实验表明0.5%CMC、55%固含量的预制浆料,静置2 h内悬浮稳定性为100%,5 h时悬浮稳定性为98%。最后,在最大孔径为65μm的Φ60 mm多孔碳化硅管外表面通过浸渍-提拉法制备滤膜。随着浆料粘度和固含量提高,提拉制备碳化硅膜层厚度增加;而提拉速率由1mm/min增加到1000 mm/min的过程中,碳化硅膜层的厚度降低。当膜层厚度由176μm增加到804μm的过程中,气体渗透率由302 m3/m2·h·kPa减小至235 m3/m2·h·kPa,厚度和气体渗透率呈线性关系。